Мобильные роботизированные системы: революция в мире производства

Мобильные роботизированные системы: революция в мире производства

Использование сетевых технологий на производстве, многообразие продуктов, мелкие серии вплоть до изготовления единичных экземпляров. Как малые и средние предприятия в эпоху постоянных изменений могут быть экономически успешными? Возможный ответ на этот вопрос бесшумно, самостоятельно и безопасно перемещается по производственному цеху, выполняет мелкие поручения и отдельные операции, а также спокойно и доброжелательно сотрудничает с людьми.

Что это такое – может догадаться каждый, кто знаком с гибким производством и Четвертой промышленной революцией («Индустрией 4.0»). В дебрях определений и джунглях разнообразных решений некоторые предприниматели уже имеют свой взгляд и точно знают свой путь к успеху: этот путь – к роботизации производства.

Мобильный манипулятор, также известный как мобильная роботизированная система, является для гибкого производства почти таким же хорошим помощником, как и сам человек. Это возможно благодаря многочисленным функциям: робот легко адаптируется к новым условиям и перемещается на колесах туда, где он необходим, может проверять гибридные батареи под напряжением, перемещать горячие детали и аккуратно обращаться с мелкими деталями.

Новая свобода в производстве

«Возможностей множество. Прежде всего, роботы используются для транспортировки и комплектации, манипуляторы – для хватания мелких деталей, а также укладки и извлечения деталей из станков. Кроме того, возможно применение в качестве помощника в процессе сборки, когда робот выполняет отдельные операции и работает рядом с человеком», – описывает возможности мобильных роботов Тео Якобс (Theo Jacobs), руководитель проекта и сертифицированный эксперт по безопасности в сфере машинного оборудования из Фраунгоферского института технологий машиностроения и автоматизации (ИТМА). Эта новая свобода и возможности в сфере производства позволяют не только снять защитные ограждения и метки на полу, но и отказаться от других ограничений.

«Мобильные роботы позволяют устранить существующие ограничения и открывают путь для реализации совершенно новой производственной концепции. Там, где это применимо, роботы уже сейчас могут сами «прийти» к обрабатываемой детали вместо того, чтобы деталь доставлялась к роботу. Кроме того, можно гибко использовать роботов – например, чтобы компенсировать отставание в графике работ, загрузить станки в ночную смену или провести сложный процесс на линии, когда и где это необходимо», – рассказывает инженер Геральд Фогт (Gerald Vogt), руководитель филиала Stäubli. Задачи роботов сегодня распространяются от простых логистических операций по загрузке и разгрузке оборудования до сложной обработки деталей.

Например, мобильные роботы Kuka играют важную роль на производстве в Аугсбурге. Мобильный робот KMR iiwa (KMR: Kuka Mobile Robotik) – это автономно действующая платформа в комплекте с легким и чувствительным роботом LBR iiwa, который автоматически доставляет продукцию к местам роботизированной сборки. Новая система работы на этом предприятии стала возможно благодаря преобразованию пространства: производственные линии были переоборудованы в соответствии с новейшими принципами бережливого производства. Основными целями переоснащения производственной линии длиной около 140 метров стали максимальная автоматизация и поставка материалов для сборки just-in-sequence («в точной последовательности»). Для этого были разработаны решения от перемещаемых вручную легких роботов до полностью автономных систем.

Рабочие будни мобильного робота KMR iiwa

В его ежедневные обязанности входит распределение винтов, уплотнительных колец, гаек и других мелких деталей. Заказанные канбан-боксы выставляются на центральный складской стеллаж, а KMR iiwa через равные промежутки времени проверяет отдельные полки и забирает доставленные коробки с деталями.

Робот берет коробку и подносит ее к встроенному в платформу сканеру QR-кода – так он распознает, куда ее необходимо доставить. Затем автономно передвигающаяся платформа перевозит коробку через производственный цех и автоматически подает на рабочее место.

Распределение мелких деталей с помощью роботизированных систем уже используется довольно широко, а вот в сфере производства и обработки крупных деталей, где утомительные операции в неудобном положении (например, монтаж над головой) представляют определенное неудобство для рабочих, автономные помощники только начали набирать популярность.

Сложности при обработке крупных деталей

До настоящего времени гибкая автоматизированная обработка крупных деталей представляла большую сложность. «Во многих отраслях, например, кораблестроении и самолетостроении, а также в производстве ветроэнергетических установок, и по сегодняшний день используется ограниченный арсенал средств автоматизации. Причина заключается в том, что существующие средства подходят для компактных деталей и не являются гибкими. Поэтому именно для этих отраслей автоматизация особенно актуальна, ведь на производстве многие операции сопряжены с высокой нагрузкой и неудобством для рабочих – например, когда необходимо осуществлять сборку деталей над головой. Также до сих пор нет подходящих решений по автоматизации таких процессов, для которых стационарный монтаж не может использоваться, а необходимо сочетание с мобильной системой, которая может перемещаться от одной рабочей станции к другой», – объясняет Алуа Бухштаб (Alois Buchstab), вице-президент подразделения роботизации Kuka Roboter GmbH.

Новые разработки имеют все больший потенциал для использования робототехники при работе с крупными деталями. Например, в самолетостроении роботы могут наносить герметизирующую замазку на фюзеляж или проверять детали. Однако для широкого использования роботов необходимо продумать все процессы до мелочей. Что нужно мобильному роботу, чтобы действовать автономно и ориентироваться в постоянно изменяющихся производственных линиях? «Для автономной навигации роботы должны распознавать окружение с помощью датчиков, например, лазеров или видеокамер, а также самостоятельно выстраивать план помещения и высчитывать оптимальный и безопасный маршрут с учетом движущихся объектов. Эта задача кажется простой для нас, людей, но для роботов она представляет значительную сложность», – рассказывает профессор Роланд Зигварт (Roland Siegwart), руководитель Института робототехники и интеллектуальных систем Швейцарской высшей технической школы Цюриха.

Как именно датчики мобильного робота способствуют безопасности и ориентированию, можно увидеть на примере робота Apas от компании Bosch. Автоматический производственный помощник спроектирован для непосредственного сотрудничества с человеком и уже получил немецкий сертификат союза предпринимателей, позволяющий использовать робота в непосредственной работе с человеком без каких-либо дополнительных защитных приспособлений. Особенностью робота является специально разработанная специалистами Bosch сенсорная оболочка.

«Встроенные в оболочку рук робота емкостные датчики распознают, есть ли в непосредственной близости от него человек, и машина останавливается до того, как произойдет соприкосновение. Только когда человек удаляется на достаточное расстояние, робот продолжает работу – с того же места, на котором он остановился», – рассказывает инженер Вольфганг Помрейн (Wolfgang Pomrehn), менеджер по продукту компании Robert Bosch GmbH.

Возможной дополнительной функцией робота Apas является наблюдение за дальними зонами, если это необходимо. Например, робот регулирует скорость своей работы на основе данных о том, присутствует ли рядом человек. На предприятиях Bosch робот Apas занимается загрузкой и разгрузкой испытательных станций с горячими деталями и проверяет гибридные батареи, находящиеся под напряжением. Благодаря колесам рабочий может с легкостью переместить робота на новое «рабочее место».

Автоматизация ручного производства

Компания Omron также специализируется на автоматизации ручных производственных процессов в области монтажа и обработки. Мобильные роботы перемещаются вдоль производственных линий и обеспечивают быструю смену отдельных видов продукции. Безопасные помощники обладают лазерными датчиками, благодаря которым распознают человека и предметы, стоящие на пути. Каждый датчик обеспечивает угол зрения 220°, чтобы система успешно обходила препятствия – как стационарные, так и движущиеся. В будущем планируется усовершенствовать роботов, чтобы они могли перевозить грузы с места на место.

«Пока это сложно, поскольку роботы вращаются, когда перед ними возникает препятствие», – объясняет Бруно Адам (Bruno Adam), директор европейских подразделений мобильных проектов Omron. – «Но в ближайшем будущем мы найдем решение». Еще одно направление разработок – увеличение подъемной силы. «Сейчас самый большой мобильный робот («сarttransporter») может перевозить 130 кг, и чаще всего этого бывает достаточно», – продолжает Адам. – «Но некоторые клиенты, например, предприятия по производству напитков, хотели бы иметь мобильных роботов с большей подъемной силой». Здесь тоже можно предложить решения, даже несмотря на то, что для более крупных машин существуют свои нормы и требования в сфере безопасности. Необходимо перерабатывать и оптимизировать программное обеспечение, отвечающее за передвижение роботов. «Программа реагирует на изменение статуса производственной линии, а робот должен ждать сигнал от программы», – продолжает Адам.

Предусмотрительные роботы

В следующих поколениях этот процесс должен стать еще более интеллектуальным, когда программа для планирования прогнозирует события и размещает машину так, что она заранее готова к выполнению определенной операции. «Это ведет к повышению продуктивности и увеличивает срок службы мобильных роботов», – объясняет Адам. Здесь речь идет не только об оптимальном и предусмотрительном позиционировании, но и об экономии энергии. Самые важные факторы, которые необходимо учитывать при разработке мобильных платформ для производства – это энергоснабжение и безопасность».

«Роботы по-настоящему автономны только тогда, когда они работают на аккумуляторах и не должны слишком часто возвращаться к станциям заряда. Поэтому энергетическая концепция должна соответствовать задачам, которые выполняет робот», – считает Помрейн. Кроме того, автономным роботам нужна система навигации, которая позволяет гибко реагировать на неподвижные и движущиеся препятствия, а также всеобъемлющая концепция безопасности.

Этот вопрос необходимо проработать до того, как автономные роботы начнут широко использоваться на производстве. «Чтобы роботы могли работать рядом с людьми, нам нужно быть уверенными, что никакие нежелательные события не произойдут. Вместе с тем концепция безопасности должна предусматривать возможность совместной работы человека и робота на малых дистанциях, чтобы они могли делить между собой рабочее пространство. Для этого нужны небольшие и легкие системы с определенными функциями – например, функцией снижения скорости и переключения рабочих режимов», – добавляет Тео Якобс.

Направления развития

Статус-кво вопроса безопасности на данном этапе вполне понятен. Какие еще вопросы могут возникнуть при разработке роботов? «Потребность в оптимизации следует рассматривать в рамках соответствия существующим нормам. Для обычных робототележек такие нормы уже существуют. Но автономные роботы на новых движущихся платформах – это пока совершенно новая сфера», – подводит итог Алуа Бухштаб.

Райнхард Каргер (Reinhard Karger), пресс-секретарь Немецкого исследовательского центра искусственного интеллекта (DFKI), видит дальнейшие направления развития в расширении сфер совместной деятельности человека и робота: «Важная задача – правильно организовать командную работу человека и робота, чтобы человеческий и искусственный интеллекты наилучшим образом дополняли друг друга. Человек хорошо ориентируется во времени, представляет результат работы и время выполнения отдельных операций и процессов. Роботам нужно динамическое руководство и планирование каждого действия, чтобы в каждом отдельном случае с правильной скоростью и в правильном направлении подать правильный инструмент».

В DFKI ученый работает над решениями в сфере дополненной реальности. При этом роботы и люди трудятся вместе и решают широкий спектр задач. С помощью систем дополненной реальности, например, человек и робот могут вместе в режиме реального времени манипулировать объектом, представленным в трехмерном виртуальном пространстве.

Руководство роботом может осуществляться следующим образом: человек показывает роботу виртуальный объект и с помощью жеста выполняет с этим объектом какое-либо действие, а робот затем выполняет это действие с реальным объектом.

Чтобы мобильные роботы могли более тесно сотрудничать между собой и выполнять больше операций на производстве, нужна не только разработка стандартов. «Быстрота распространения роботов на производстве зависит от следующих факторов: средств распознавания окружения, обработки данных, систем безопасности, а также в большой мере от признания и принятия людьми новых “коллег”», – рассказывает Андреа Дрост (Andreas Drost), директор MT Robot.

Данные для роботов играют очень важную роль, поскольку при их анализе робот обучается и становится более самостоятельным. «В рамках самостоятельного обучения роботов разработчики все больше ценят такие средства, как сетевые и облачные технологии, а также BigData. Только оптимальное и продуманное использование сетевых технологий в сочетании с роботизированными системами позволит нам в будущем организовать по-настоящему эффективное производство», – считает Алуа Бухштаб.

 

Возврат к списку

Хотите подписаться на статьи электронного журнала "Электрорешения"?